一种N级阶梯结构的火焰筒及燃烧器的制作方法

本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种n级阶梯结构的火焰筒及燃烧器，其特别适用于燃气轮机、锅炉、化工炉等各种工业和民用燃烧器。

背景技术：

工业生产如冶炼、石化、制药、造纸及采矿等行业会产生大量有害气体和低热值气体，这些气体直接排放到大气中会严重污染环境，而且还浪费了能源。如果将这些气体燃烧利用，不但减小了环境污染和节约能源。当前我国环境污染问题十分严重，发展相关清洁燃烧技术十分迫切。此外，航空发动机、发电用燃气轮机、舰船用燃气轮机也都需要燃烧器。燃烧器厂商已经开发了多种清洁燃烧技术，如贫预混燃烧技术、稀相预混预蒸发技术、贫油直喷技术等，这些技术虽然可以有效降低污染物的排放，但都面临燃烧不稳定的问题。随着3d打印技术的日益完善，燃气轮机巨头如通用、西门子都在大力发展基于3d打印技术的新型火焰筒设计方法。

传统燃烧室采用单火焰筒设计方法，存在火焰筒尺寸过长、燃烧强度不够、出口温度分布不均匀的问题，因而，亟需开发一种基于3d打印加工技术的新型火焰筒。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种n级阶梯结构的火焰筒及燃烧器。

本发明一方面提供一种n级阶梯结构的火焰筒，其特征在于，包括轴对称筒状外壁以及设置于所述外壁内的轴对称的第n，n-1，……，1级阶梯结构，所述外壁与所述第n，n-1，……，1级阶梯结构共轴，在所述火焰筒的经过对称轴的轴向截面中：对于一级阶梯结构的火焰筒，所述外壁由火焰筒入口至火焰筒出口方向包括顺序连接的第一外壁平直段、第一外壁扩张段、第二外壁平直段、第二外壁扩张段以及第三外壁平直段，第1级阶梯结构为筒状结构，包括由火焰筒入口至火焰筒出口方向包括顺序连接的第一级阶梯结构的第一筒壁平直段、筒壁扩张段、第二筒壁平直段、筒壁收缩段以及第三筒壁平直段，所述第一级阶梯结构的第一筒壁平直段、筒壁扩张段、第二筒壁平直段、筒壁收缩段以及第三筒壁平直段分别与所述外壁的第一外壁平直段、第一外壁扩张段、第二外壁平直段、第二外壁扩张段以及第三外壁平直段处于相同轴向位置，n级阶梯结构的火焰筒在n-1级阶梯结构的火焰筒的基础上形成，n-1级阶梯结构的火焰筒的外壁向火焰筒出口方向依次延伸出新增外壁扩张段及新增外壁平直段，第n-1，n-2，……，1级梯整流通道结构的环管壁或筒壁向火焰筒出口方向依次延伸出新增环管壁或筒壁扩张段及新增环管壁或筒壁平直段，第n级阶梯结构包括2^n-2个管截面为镜像结构的环管状结构，分别设置在n-1级阶梯结构的火焰筒的各级梯整流通道结构及外壁之间的2^n-2个环形间隔流道处，每一管截面为镜像结构的且上下部均断开的环管状结构包括第n级阶梯结构沿火焰筒入口至火焰筒出口方向上顺序设置的第一环管壁平直段、环管壁扩张段、第二环管壁平直段、环管壁收缩段以及第三环管壁平直段，所述第n级阶梯结构的环管壁收缩段及环管壁扩张段分别与第n-1，n-2，……，1级阶梯结构的从火焰筒出口开始向火焰筒入口出现的前两个收缩段以及外壁从火焰筒出口开始向火焰筒入口出现的前两个扩张段处于相同轴向位置，所述第n级阶梯结构的第三环管壁平直段、第二环管壁平直段及第一环管壁平直段分别与第n-1，n-2，……，1级阶梯结构及外壁的从火焰筒出口开始向火焰筒入口出现的前三个平直段处于相同轴向位置，其中n≥2，n为正整数。

优选地，旋流器叶片设置在相邻的各级梯整流通道结构及外壁之间的2^n-1个环形间隔流道中的至少一个内，呈环形排布，在相对于与轴垂直的面平行于轴偏转一定角度，旋流器页片与轴向夹角0°＜θ＜90°。

优选地，所述旋流器叶片呈多个共轴的环状排布，相邻环状上的旋流器叶片的偏转反向相反。

优选地，外圈旋流器叶片与轴向夹角θ外的绝对值大于内圈旋流器叶片与轴向夹角θ内的绝对值。

优选地，外壁和/或第i级阶梯结构上的至少一段设置至少一排空气孔，其中i＝1，2……，n。

优选地，其中所述n级阶梯结构的火焰筒的外壁沿轴向向火焰筒出口方向延伸一温度控制段。

优选地，所述的温度控制段与轴垂直的切面由圆形过调至多边形或椭圆形。

优选地，所述外壁和/或第i级阶梯结构的相邻各段之间包括圆弧倒角，其中i＝1，2……，n。

本发明另一方面提供一种燃烧器，包括至少一个前述的喷嘴或喷嘴阵列。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

n级阶梯结构的火焰筒，有助于提高燃烧强度、缩短火焰筒长度、使火焰筒出口温度分布更加均匀；

设置特定角度的旋流叶片防止回火及熄火；

外壁延伸出温度控制段用于控制火焰温度。

附图说明

图1为本发明实施例二级阶梯结构的火焰筒的半剖立体图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明实施例一级阶梯结构的火焰筒的半剖立体图；

图4为图3的侧视图；

图5为本发明实施例三级阶梯结构的火焰筒的半剖立体图；

图6为图5的侧视图；

图7为本发明另一实施例三级阶梯结构的火焰筒的半剖立体图；

图8为本发明又一实施例三级阶梯结构的火焰筒的半剖立体图；

图9为在图8变形例的半剖立体图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

分形是对自相似图形和结构的总称，是自然界中蕴含的普适规律。本发明方法按分形理论设计火焰筒，火焰筒为多级阶梯结构。

本发明实施例提供一种多级阶梯结构的火焰筒，请参考图1和图2，分别为本发明实施例二级阶梯结构的火焰筒的半剖立体图及侧视图，包括外壁1和作为第1级阶梯结构的中间圆筒2，在外壁1和中间圆筒2之间的环形间隔流道出口附近布置2个阶梯形管壁形成第2级阶梯结构3，这两个阶梯形管壁的剖面曲线结构相同、互为镜像。内圈旋流叶片4位于中间圆筒2与阶梯形管壁之间；外圈旋流叶片5位于外壁1与阶梯形管壁之间，优选，内圈旋流叶片4和外圈旋流叶片5的倾斜方向相反，这样它们使流体旋转的方向相反，更有助于稳定燃烧。

下面说明多级阶梯结构的火焰筒的构造方式，n级阶梯结构的火焰筒在n-1级阶梯结构的火焰筒的基础上形成，请参考图3和图4，分别为一级阶梯结构的火焰筒的半剖立体图及侧视图。一级阶梯结构的火焰筒包括外壁和作为第1级阶梯结构的中间圆筒2，如附图3所示，外壁1和中间圆筒2的剖面线均由5条线段构成，相邻线段之间带有圆弧倒角。外壁剖面线呈现阶梯扩张形，流道扩张可以降低流体速度，有助于稳定燃烧。外壁1有两个扩张段外壁第一扩张段1_2和外壁第二扩张段1_4，这两个扩张段通过3个平直段——外壁第一平直段1_1、外壁第二平直段1_3、外壁第三平直段1_5连接起来。中间圆筒呈现先扩张后收缩的形状，中间圆筒的3个平直段——中间圆筒第一平直段2_1、中间圆筒第二平直段2_3、中间圆筒第三平直段2_5与外壁的3个平直段处于同一轴向位置，构成3个平直流道，中间圆筒扩张段2_2与外壁第一扩张段1_2处于同一轴向位置，构成倾斜流道；中间圆筒收缩段2_4与外壁第二扩张段1_4处于同一轴向位置，构成扩张形流道。

对比图2和图4，可见，二级阶梯结构的火焰筒在一级阶梯结构的火焰筒的基础上构造完成，二级阶梯结构的火焰筒的外壁1和中间圆筒2比一级阶梯结构的火焰筒的外壁1和中间圆筒2的剖面线增加了2段，其中，外壁剖面线增加了扩张段和平直段，中间圆筒剖面线增加了收缩段和平直段。外壁和中间圆筒增加的2段剖面线与其上游的3段剖面线之间构成了环形间隔流道，在其中设置第2级阶梯结构3，该第2级阶梯结构3为管截面为镜像结构的环管状结构，其截面如图2中所示，与图4中所示的第1级阶梯结构的中间圆筒的截面相似，剖面线亦包括5段结构。

图5和图6分别为三级阶梯结构的火焰筒的半剖立体图及侧视图，其外壁和中间圆筒剖面有9段直线，可见对于n级阶梯结构的火焰筒，其外壁和中间圆筒剖面直线数量为2n+3。对比图2和图6，可见三级阶梯结构的火焰筒为在二级阶梯结构的火焰筒的基础上形成，在二级阶梯结构的火焰筒的外壁上向火焰筒出口方向延伸新增一扩张段和一平直段构成三级阶梯结构的火焰筒的外壁，在二级阶梯结构的火焰筒的第1级阶梯结构(即中间圆筒)和第2级阶梯结构3向火焰筒出口方向延伸新增一收缩段和一平直段形成三级阶梯结构的火焰筒的第1及第2级阶梯结构，并在外壁、第1级阶梯结构及第2级阶梯结构3之间的2个环形间隔流道处设置第3级阶梯结构6，其为2个管截面为镜像结构的环管状结构，其截面如图6中所示，与图4中所示的第1级阶梯结构的中间圆筒的截面相似，剖面线亦包括5段结构。

依照前述规律，对于n级阶梯结构的火焰筒，其在n-1级阶梯结构的火焰筒的基础上形成，n-1级阶梯结构的火焰筒的外壁向火焰筒出口方向依次延伸出新增外壁扩张段及新增外壁平直段，第n-1，n-2，……，1级梯整流通道结构的环管壁或筒壁向火焰筒出口方向依次延伸出新增环管壁或筒壁扩张段及新增环管壁或筒壁平直段，第n级阶梯结构包括2^n-2个管截面为镜像结构的环管状结构，分别设置在n-1级阶梯结构的火焰筒的各级梯整流通道结构及外壁之间的2^n-2个环形间隔流道处，每一管截面为镜像结构的且上下部均断开的环管状结构包括第n级阶梯结构沿火焰筒入口至火焰筒出口方向上顺序设置的第一环管壁平直段、环管壁扩张段、第二环管壁平直段、环管壁收缩段以及第三环管壁平直段，所述第n级阶梯结构的环管壁收缩段及环管壁扩张段分别与第n-1，n-2，……，1级阶梯结构的从火焰筒出口开始向火焰筒入口出现的前两个收缩段以及外壁从火焰筒出口开始向火焰筒入口出现的前两个扩张段处于相同轴向位置，所述第n级阶梯结构的第三环管壁平直段、第二环管壁平直段及第一环管壁平直段分别与第n-1，n-2，……，1级阶梯结构及外壁的从火焰筒出口开始向火焰筒入口出现的前三个平直段处于相同轴向位置，其中n≥2，n为正整数。

下面分析火焰筒出口处流道的数目，图4中一级阶梯结构的火焰筒有2个出口；图2中二级阶梯结构的火焰筒有4个出口；图6中三级阶梯结构的火焰筒有8个出口。火焰筒出口数目分布规律符合规律2ⁿ，其中n为火焰筒的阶梯结构级数。

本实施例中，优选n＝3，即采用图5及图6所示的三级阶梯结构的火焰筒。

在本实施例中，请参见图5及图6，在中间圆筒外的间隔流道内布置4圈旋流器叶片，优选地，相邻圈旋流器叶片的偏转方向(即叶片安装角的正负)相反，这样相邻旋流器叶片使流体旋转的方向相反，更有助于稳定燃烧。旋流叶片与火焰筒轴线夹角θ介于0～±90°，优选地，外圈旋流叶片与火焰筒轴线夹角θ外的绝对值大于内圈旋流叶片与火焰筒轴线夹角θ内的绝对值，采用该种设计可以使中轴附近旋流强度小、外围旋流强度大，由于回火易发生在火焰的中部、吹熄首先往往发生在火焰的外围，这样设计既可以有效防止回火也可以防止熄火。

本发明另一实施例还提供一火焰筒，为了达到简要说明的目的，上述实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

请参见图7，本实施例较上一实施例不同在于，在外壁及每一级阶梯结构的每一段中均至少有一排空气孔，在其他实施例中火焰筒的入口平直段和出口平直段可以不设置空气孔。

本发明又一实施例还提供一种火焰筒，请参见图8，本实施例较上述实施例不同在于，为了控制火焰筒出口的温度，可以将火焰筒外壁沿轴向沿伸一温度控制段，该温度控制段垂直于轴的截面为圆形，在其他实施例中，请参见图9，为了连接火焰筒下游部件，可以将火焰筒外壁轴向延伸的温度控制段的出口由圆形过渡为矩形、多边形、椭圆形等其它形状。

本发明进一步实施例提供了一种燃烧器，其包括上述实施例所述的火焰筒。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。